膨胀土固化及其力学性能试验研究.pdf

总第 期交通科技 第期 收稿日期：第一作者：李自锋（），男，副研究员，硕士。膨胀土固化及其力学性能试验研究李自锋王磊冯进（中国人民解放军 部队北京 ；甘肃兰达铁科工程检测有限公司兰州 ）摘要针对现有膨胀土处治利用问题，采用固化材料对云南蒙自地区的膨胀土开展固化处治，并研究其力学性能。以 为固化性能力学分析指标，通过室内试验，对比了种固化材料（水泥、石灰和种新型固化剂）的固化效果，筛选出最佳固化材料；基于最佳固化材料，在 和 种压实度和最佳含水率、最佳含水率、最佳含水率种含水率工况下，探究配合比、养生龄期和浸水对膨胀土力学性能的影响。结果表明，纤维复合固化剂对膨胀土固化处治效果最佳，掺配比例宜选取为，养生龄期不可低于，且需避免水分侵入。关键词膨胀土固化配比养生龄期浸水 中图分类号 膨胀土含有较多黏土矿物，使膨胀土具有吸水膨胀和反复胀缩的特性，并且在吸水膨胀后强度下降幅度较大，对工程安全使用构成一定危害。故通常需要采取一定方式进行适当处治，才能作为路基填料应用于道路工程中。当前，国内常见的处治技术主要包括：水泥处治和石灰处治。等发现水泥可以降低膨胀土颗粒的亲水性，提高浸水稳定性。符策岭等向膨胀土内掺入的石灰进行处治后，膨胀土的自由膨胀率、强度等能满足工程使用要求，但浸水稳定性存在不足。近年来，新型固化材料不断出现，傅乃强等使用纤维和粉煤灰混合物提升了膨胀土的无侧限抗压强度。韩春鹏等通过在膨胀土中掺入一定比例的纤维，发现纤维加筋可抑制膨胀土的裂隙性。李淼采用 溶液显著降低了膨胀土的膨胀潜势，且能提高膨胀土的强度。基于已有研究，针对云南蒙自地区膨胀土处治利用问题，调研选择种固化材料对其开展固化处治，以 （加州承载比）为固化性能力学分析指标，比较不同固化材料的固化效果，筛选出最佳固化材料；在此基础上，探究不同压实度和含水率条件下，配合比、养生龄期、浸水等因素对固化膨胀土的力学性能的影响。试验材料 试验用土试验所用膨胀土取自云南省蒙自地区，土的颜色是灰白色，表观含水率较低，颗粒较大，原状土的取土深度为，经粉碎后用土筛筛分，作为试验材料。射线衍射（，）定量分析显示，该土样蒙脱石、伊利石、高岭石、长石、石英的含量分别为 ，。基于室内试验，所取土样的基本物理性质见表，粒度组成见表。表膨胀土土样的基本物理性质天然含水率狑干密度（）液限犠塑限犠塑性指数犐自由膨胀率犉击实试验 固结快剪最大干密度（）最佳含水率狑黏聚力犮 内摩擦角（）表膨胀土土样的粒度组成粒径细砂 粉砂 粉粒粗 粉粒细 黏粒 粒度的质量分数 由 表可 知，所 取 土 样 的 自 由 膨 胀 率 为，按照自由膨胀率划分膨胀土的膨胀潜势，试验所用膨胀土属于中等膨胀潜势。固化材料在现有研究基础上，基于调研，选择了种固化材料开展固化筛选试验，包括 水泥、天然石灰、新型液态固化剂、新型液态固化剂、新型粉态固化剂、纤维复合固化剂。其主要成分和基本固化原理见表。表所选固化材料主要成分和固化原理固化材料名称主要成分固化原理 水泥 、反应形成的含水化合物逐步结晶长大与土颗粒搭接，形成空间网络结构天然石灰 依靠离子交换作用、絮凝团聚作用、火山灰作用等形成骨架结构新 型液 态 固化剂羟 丙 基 甲基纤维素羟丙基甲基纤维素在土粒之间产生絮状纤维胶体，形成强度骨架新 型液 态 固化剂高 化 合 价离子混合物与土壤颗粒中的活性物质反应产生牢固的化学键结合，提高了土壤强度与水稳性新 型粉 态 固化剂硅 铝 基 工业废渣反应生成不溶于水的坚硬物质填充在强度骨架中，使土样形成坚实板体纤 维复 合 固化剂环 氧 树 脂和木质纤维纤维树脂和骨料将固化成不同性能的硬化物，显著提升土体强度试验方案 试验步骤试验按照 公路土工试验技术规程 和 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 实施。采用质量控制压实度法静压制备 试件，具体过程如下。）处理土样。将现场取回的土样晾晒、碾压和过 筛，筛除大颗粒土样及石子等杂物，放置烘箱中干燥。）计算用量。根据各试验要求的含水率狑和目标压实度犽，按式（）计算不同压实度下每个固化土试样所需固化剂和土总质量犿。犿犽，（狑）犞（）式中：犽为目标压实度，犱，为土样最大干密度，；狑为 含 水 率，；犞为 试 样 的 体 积，。）手工拌和。将固化剂加入土样中，人工搅拌 后得拌合料。）静压成型。将拌合料倒入 试模中，使垫块外露，在 内用压力机将垫块压入 试模，维持压力 ，试验设置压力为 ，得到所需 试样。）养生。按照试验工况中的具体要求，对 试样进行养生。）计算。加州承载比（）作为评价固化土性能的力学指标，数值为试样贯入量犾 和犾时的单位压力与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度的比值，取二者较大值作为最终承载比。试验工况为探究固化材料、固化材料配合比、养生龄期，以及浸水对固化土力学性能的影响，按照一定的压实度和含水率制备固化土土样，采用单因子轮换法，分别开展固化材料筛选试验，以及相应的配合比、养生龄期和浸水对固化土力学性能影响的试验。在试验中，根据实际应用需求，选取 和 种压实度及最佳含水率、最佳含水率和最佳含水率 种含水率；根据前期调研和预实验结果，以作为基准配合比，并设置，和的掺加比例作为对照，开展配合比影响试验；同时，以作为基准养生龄期，并在养生龄期影响试验中选取，作为对照；考虑实际降雨对固化土的影响，浸水试验试件的浸水时间设置为。结合试验目的和预期目标，具体设置的试验工况见表。表试验工况表试验类别试验条件试验工况固化材料选型固 化 材 料 掺量 压实度，最佳含水率，养生龄期 水泥天然石灰新型液态固化剂新型液态固化剂新型粉态固化剂纤维复合固化剂配合比影响试验固 化 材 料 配比分 别 为，压实度 和，养生龄期最佳含水率最佳含水率最佳含水率最佳含水率最佳含水率最佳含水率养生龄期影响试验固 化 材 料 掺量养生龄期分别为，压实度 和 最佳含水率最佳含水率最佳含水率最佳含水率最佳含水率最佳含水率浸水影响试验固化 材 料 掺 量压实度 下，浸水 和不浸水养生养生养生养生养生养生注：固化材料掺量是外掺量，即固化材料质量与土样质量的百分比。年第期李自锋等：膨胀土固化及其力学性能试验研究结果分析与讨论 固化材料筛选试验在开展选型试验前，需要确定种固化材料掺加比例为时，对应固化土的最佳含水率。基于室内重型击实试验，不同固化材料处治后的固化土最佳含水率结果见表。表不同固化材料对应的固化膨胀土最佳含水率固化材料 水泥天然石灰新型液态固化剂新型液态固化剂新型粉态固化剂纤维复合固化剂最佳含水率 对掺加种固化材料的膨胀土，按掺加固化剂分为组，每组个试块，固化剂掺加比例为，控制固化土的压实度为，含水率为最佳含水率，静压成型试件。室内养生后，试验测得不同类型固化土的 试验结果见图。图不同固化材料处治后膨胀土的 值由图可 知，所 取 膨 胀 土 土 样 的 为，不同固化材料掺入后，膨胀土土样的 均有明显提升。相对而言，新型液态固化剂和对应的 分别为 和 ，固化效果一般，这是由于液态固化剂固化后土的水稳定性不足导致的。水泥、天然石灰、新型粉态固化剂及纤维复合固化剂掺加后的土样 分别为 、及 ，固化效果较优。通过比较可知，纤维复合固化剂因其黏结作用和掺加的纤维提升了土样抗裂能力，因而纤维复合固化剂的固化效果最佳。因此，后续试验选择纤维复合固化剂作为固化材料。配合比对固化性能的影响根据表工况，按照 和 种压实度和最佳含水率、最佳含水率、最佳含水率种含水率，制备试验土样，再使用掺配比例的纤维复合固化剂处治膨胀土土样，共 组固化土试件，每组个。其中，不同掺配比例固化剂处治后的固化土最佳含水率结果见表。进行养生后，开展承载比试验，试验中 的变化规律见图。表不同固化剂掺配比例的固化膨胀土最佳含水率纤维复合固化剂掺配比例最佳含水率 图纤维复合固化剂固化膨胀土的 与掺配配比的关系由图可知，压实度膨胀土的 高于 压实度的结果，相同压实度条件下，最佳含水率的试件 值高于其他含水率下的结果，此外对于纤维复合固化剂处理后的膨胀土，其 值总体随固化剂掺量增加而增大，且当掺配比例在时，增幅较明显。养生龄期对固化性能的影响使用的纤维复合固化剂掺配比例处理膨胀土，按照 和 种压实度，基于表最佳含水率结果确定的种含水率分别为 ，制备试验土样，共组固化土试件，每组 个。再分组进行，的养生后，开展 试验，试验后 的变化规律见图。图固化膨胀土 与养生龄期的关系由图可知，纤维复合固化剂固化后的膨胀土 值随养生龄期的增加而增大，养生龄期的 增长较快，养生龄期的 增长速度放缓；且压实度越大，越靠近最佳含水率的土样，其干密度越大，结构越密实，因此 李自锋等：膨胀土固化及其力学性能试验研究 年第期越大。浸水对固化性能的影响使用掺配比例的纤维复合固化剂处理膨胀土，按照 的压实度和最佳含水率（）制备试验土样，共组固化土试件，每组个。分别进行，的养生后，对不同样品进行 试验，试验中 的变化规律见图。图不同养生龄期下固化膨胀土浸水前后的 变化由图可知，被水分侵蚀 后的固化膨胀土试样的 相较于浸水前显著下降。因此，浸水会影响固化风化膨胀土的力学性能。结果分析由上述试验结果可知，纤维复合固化剂掺配比例在时，的增幅较明显。在工程应用中，应考虑经济性和工程应用需求，选择合适的固化剂掺配比例处治膨胀土；若要达到最佳效果，则推荐选取配比进行膨胀土的固化处治。此外，配比和养生龄期影响试验结果表明，在相同压实度状况下，靠近最佳含水率的纤维复合固化剂固化膨胀土的 较高，其原因是偏离最佳含水率的固化土的最大干密度会降低，压实度降低，进而导致 减小。另外，试验结果发现，纤维复合固化剂处治后，在养生龄期的增长较快，养生龄期增速放缓，所以应至少养生，使纤维复合固化剂充分反应，形成强度。施工条件允许的情况下，养生以上最佳。同时需要注意的是，纤维复合固化剂含有机树脂成分，在充分反应凝结前浸水易失效，导致固化土体无法有效形成强度。因此，使用纤维复合固化剂处理土体后，应在施工期间做好防雨防水，避免土基浸泡。结论）在明确云南蒙自地区膨胀土的基本物理力学性能的基础上，基于 试验可知，纤维复合固化剂是固化该地区膨胀土的最佳固化材料。）纤维复合固化 剂 掺 量 对 固 化 的 膨 胀 土 的影响显著，建议掺配比例在左右为宜，以达到最佳处治效果。）养生龄期对纤维固化膨胀土的 影响显著，处治后应至少养生，施工条件允许的情况下，养生以上最佳。同时，浸水会降低纤维复合固化剂固化膨胀土的性能，施工后要避免水分侵蚀。参考文献李涛水应力作用膨胀土力学特性与深基坑支护技术北京：机械工业出版社，程天成，张承帅，占雪芳水泥改良膨胀土次固结特征的试验研究公路工程，（）：刘宇翼电石渣稻壳灰基胶凝材料固化膨胀土机理及其物理力学特性研究徐州：中国矿业大学，（）：符策岭，曾召田，莫红艳，等石灰改良膨胀土的工程特性试验研究广西大学学报（自然科学版），（）：傅乃强，徐洪钟，张苏俊纤维粉煤灰改良膨胀土无侧限抗压强度试验南京工业大学学报（自然科学版），（）：韩春鹏，田家忆，张建，等干湿循环下纤维加筋膨胀土裂隙特性 分析吉 林大 学学 报（工 学版），（）：李淼 溶液改良膨胀土的膨胀性及强度试验研究西安：长安大学，李洋，虞浩，司晶晶固化剂掺量对二阶树脂粘结剂性能的影响研究武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：公路土工试验技术规程：北京：人民交通出版社股份有限公司，公路工程无机结合料稳定材料试验规程：北京：人民交通出版社，（下转第 页）年第期李自锋等：膨胀土固化及其力学性能试验研究 ，（）：，（）：王晓强，朱锡，梅志远，等数值模拟金属靶抗侵彻中的网格密度影响研究海军工程大学学报，（）：伍星星，刘建湖，张伦平，等尖头弹侵彻金属板花瓣型破口成形过程仿真分析中国舰船研究，（）：犜 犲 狊 狋 犪 狀 犱犖 狌 犿 犲 狉 犻 犮 犪 犾犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳犛 狌 犫 狊 狅 狀 犻 犮犉 犾 犪 狋 狀 狅 狊 犲 犱犘 狉 狅 犼 犲 犮 狋 犻 犾 犲犘 犲 狀 犲 狋 狉 犪 狋 犻 狀 犵犕 犪 狉 犻 狀 犲犛 狋 犲 犲 犾犘 犾 犪 狋 犲犡 犐 犈犎 狅 狀 犵 狊 犺 犲 狀 犵，犔 犝 犗犌 犪 狀 犵，犢 犝 犃犖 犓 狌 狀（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；（上接第 页）犈 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犛 狋 狌 犱 狔狅 狀犛 狅 犾 犻 犱 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犕 犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 犪 犾犘 狉 狅 狆 犲 狉 狋 犻 犲 狊 狅 犳犈 狓 狆 犪 狀 狊 犻 狏 犲 犛 狅 犻 犾犔 犐犣 犻 犳 犲 狀 犵，犠犃犖犌犔 犲 犻，犉 犈犖犌犑 犻 狀（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（，），犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；谢红胜等：亚音速平头弹侵彻船用钢板试验与数值分析 年第期